一、 解決方案背景
　　近年來(lái)，隨著(zhù)我國城市人口的逐步增長(cháng)，城市公共交通的壓力也逐年加大。同時(shí)，隨著(zhù)大中城市內汽車(chē)的大量普及，尾氣排放占廢氣排放比重越來(lái)越高，造成城市嚴重的環(huán)境問(wèn)題和交通堵塞。因此，大力發(fā)展純電能驅動(dòng)的地鐵、輕軌、有軌電車(chē)、純電動(dòng)公交等公共交通系統成了城市現代化建設的當務(wù)之急。從公共交通的運力進(jìn)行分類(lèi)：
　　■ 大運力公共交通：地鐵、輕軌。載客量大，運行速度較高；建設周期很長(cháng)，一般為5年左右；投資成本很高，約為6億元~10億元/公里；
　　■ 中等運力公共交通：
　　　　1) 現代有軌電車(chē)。載客量中等，運行速度中等；建設周期長(cháng)，一般為2年左右；投資成本較高，約為1億元/公里；但有軌電車(chē)與地面其他車(chē)輛存在路權之爭的問(wèn)題。
　　　　2) 雙源無(wú)軌BRT電車(chē)。載客量中等，運行速度中等；建設周期短，一般在1年內；投資成本較低，約為1000萬(wàn)元/公里；并可利用原有地面道路資源。
　■ 普通運力公共交通：純電動(dòng)公交。載客量小，運行速度低。配套充電設施建設周期短，一般在1年以?xún)�；完全和原有公交�?chē)共用道路資源，無(wú)需再投資。
　　從上述分類(lèi)可以看出，不同運力的交通方式在城市公共交通中所處的地位并不相同：地鐵、輕軌可解決城市主干交通的運載，有軌電車(chē)和雙源無(wú)軌BRT能夠作為地鐵和輕軌的有力補充，可緩解區域性交通運載問(wèn)題。而擁有普通運力的純電動(dòng)公交車(chē)則承擔著(zhù)城市公共交通中“最后一公里”的運載任務(wù)，能夠把大量的乘客運送到最終的目的地。
　　對于普通純電動(dòng)公交來(lái)說(shuō)，電池問(wèn)題、充電問(wèn)題一直是困擾其發(fā)展的主要原因：電池配重過(guò)大，運載效率較低；充電站和充電樁占地面積大，建設成本高，供電容量利用率低；車(chē)輛充電時(shí)間長(cháng)，充電過(guò)程中無(wú)法移動(dòng)，使場(chǎng)內車(chē)輛調度和停放受到影響。
　　為了解決上述問(wèn)題，采用了新型鈦酸鋰電池的純電動(dòng)公交即可實(shí)現電池的快速充電，在電池的循環(huán)壽命也完全能夠達到純電動(dòng)公交的使用要求。這種類(lèi)型的純電動(dòng)公交配置的電池為46kWh左右，單次充電可以運行30km左右，能夠滿(mǎn)足大多數城市市區公交線(xiàn)路的運營(yíng)里程要求。車(chē)輛的充電設施可采用“微型撬裝式變電站+充電線(xiàn)網(wǎng)”的模式，結合車(chē)輛上集成的智能充電機，不僅能夠為車(chē)輛提供大容量、靈活、快速的充電服務(wù)，而且能夠為充電設施的占地面積、建造成本上帶來(lái)最大的節約。
二、 微型撬裝式純電動(dòng)公交柔性充電站的技術(shù)特點(diǎn)
　　為了給新型純電動(dòng)公交提供安全、大容量、高密度的充電電源，蘇州萬(wàn)龍電氣集團股份有限公司特別為該運用開(kāi)發(fā)了“微型撬裝式純電動(dòng)公交柔性充電站”。充電站的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：
　1. 基于智能云平臺的柔性充電
　　城市市區公交停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛有效停放面積對城市公交的合理布局，線(xiàn)路配置等都至關(guān)重要。微型撬裝式純電動(dòng)公交柔性充電站采用了高功率密度的設計思路，為純電動(dòng)公交提供快速充電服務(wù)。以3路直流750V輸出的直流饋線(xiàn)為例，其占地面積僅為32平方米，可為純電動(dòng)公交提供額定600kW，最大1200kW的充電功率。充電站可在廠(chǎng)家提前完成生產(chǎn)和組裝，直接運輸到現場(chǎng)即可完成安裝，工程周期短，綜合造價(jià)低。
　　新型純電動(dòng)公交上集成了充電機，智能充電云平臺可通過(guò)無(wú)線(xiàn)通道向車(chē)輛的充電機發(fā)送充電命令，在充電線(xiàn)網(wǎng)下實(shí)現多輛電動(dòng)公交同時(shí)充電。由于充電機可控，直流饋線(xiàn)輸出的充電功率可根據相關(guān)指令靈活分配到直流饋線(xiàn)下的車(chē)輛，實(shí)現柔性充電。以車(chē)輛配備46KWh電池為例，車(chē)輛行駛30公里后剩余25%～35%電量，進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)快速補充電能。車(chē)輛配置的額定功率為150kW充電機通過(guò)充電線(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行柔性充電，十分鐘左右即可將電池充滿(mǎn)，完全能夠滿(mǎn)足公交行業(yè)的運用需求。這樣可結合電池電量和狀態(tài)、車(chē)輛工況、充電站運行功率等充電條件的按需充電，可合理調配充電資源，充分利用電站所提供的充電功率，為車(chē)輛提供安全，快速的充電服務(wù)。
　2. 充電系統六大安全保障
　　純電動(dòng)公交的充電安全一直是公交行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。新型充電站不僅要密切監控其自身安全，而且對整個(gè)直流充電系統的安全狀況也必須進(jìn)行實(shí)時(shí)評估。為此，“微型撬裝式純電動(dòng)公交柔性充電站”集成了6大安全保障技術(shù)：
　　◆ 充電線(xiàn)網(wǎng)電氣安全保護
　　◆ 大電流短路故障快速切除
　　◆ 智能化故障檢測
　　◆ 瞬時(shí)故障快速恢復供電
　　◆ 充電系統絕緣監測
　　◆ 關(guān)鍵節點(diǎn)溫度監測
　　通過(guò)上述技術(shù)，可以對直流充電系統中的充電線(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行保護，防止充電線(xiàn)網(wǎng)因過(guò)載而損壞；對于金屬性大電流短路，充電站內的直流快速斷路器和直流保護能夠快速動(dòng)作，在十幾個(gè)毫秒內即可切斷故障電流，保證設備安全；智能化故障檢測功能還能夠辨別出供電系統中是否存在短路，如果為瞬時(shí)性短路，則可自動(dòng)合閘快速恢復供電，無(wú)需人工干預；直流充電系統絕緣監測能夠對充電站、地下電纜、充電線(xiàn)網(wǎng)和車(chē)輛的對地阻抗變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并根據阻抗變化評估充電系統和大地之間的絕緣健康狀態(tài)；站內的溫度傳感器能夠實(shí)時(shí)監測充電站內關(guān)鍵連接點(diǎn)的連接可靠性，避免大電流通過(guò)后導致溫升或起火。
　3. 遠程運行監控和維護管理
　　 “微型撬裝式純電動(dòng)公交柔性充電站”采用高度集成化設計，在新一代電氣技術(shù)基礎上融合了數字傳感技術(shù)、數字保護測控技術(shù)、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)。主要由高壓交流開(kāi)關(guān)柜設備、整流機組設備、直流開(kāi)關(guān)柜設備、輔助電源設備、數據管理系統、自動(dòng)消防系統、綜合輔助系統（門(mén)禁、環(huán)境和視頻）等多個(gè)模塊組成。
　　新型充電站通過(guò)遠程云平臺可完成站內數據獲取，命令下發(fā)等操作。管理人員通過(guò)遠程云管理平臺可實(shí)現對充電站的實(shí)時(shí)監控，能夠快速了解站內各種故障和報警，并對相關(guān)故障進(jìn)行隔離。即能夠保障了充電站運行的可靠性，又能夠達到快速恢復供電的目的，真正實(shí)現“智能化無(wú)人值守”。
　　由于采用無(wú)人值守的運行模式，充電站內部設備的健康狀態(tài)可通過(guò)遠程云平臺獲取。遠程維護管理終端通過(guò)云平臺可實(shí)時(shí)了解站內設備的健康狀態(tài)。通過(guò)對各類(lèi)故障、報警、狀態(tài)等運行信息的分析，可及時(shí)判別出設備的工況，實(shí)現“設備預測式檢修維護”。不僅減少運維人員數量，并可大幅度降低設備運行維護成本。
三、 微型撬裝式純電動(dòng)公交柔性充電站典型方案
　　由蘇州萬(wàn)龍電氣集團股份有限公司設計的WDQXB系列智能型箱式變電站就是適用于新型純電動(dòng)公交的新一代充電站，其主要參數如下（以3路直流充電回路為例）：
　1. 典型參數 
　　■ 額定輸出功率600kW，最大輸出功率1200kW
　　■ 3路直流充電回路
　　■ 輸入電壓AC 12kV
　　■ 輸出電壓DC 750V
　　■ 額定輸出DC 800A
　　■ 外形尺寸L*W*H（mm）=8000*4000*3500

　2. 典型系統一次方案
　　根據WDQXB系列智能型箱式變電站系統一次方案（單臺，如圖1所示）可知，其高壓交流開(kāi)關(guān)柜設備采用10kV雙路電源進(jìn)行的HXGN15-12系列SF6環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)柜；整流機組采用額定容量為630kVA、負載等級為Ⅴ級的12脈整流機組設備； 直流開(kāi)關(guān)柜設備采用WDQ系列直流開(kāi)關(guān)柜（DC750V），直流系統通過(guò)備用饋線(xiàn)回路、備用母線(xiàn)和旁路刀，確保實(shí)現故障回路供電緊急恢復；站用輔助電源設備配置30kVA變壓器及32Ah直流電源屏。
　　WDQ系列直流開(kāi)關(guān)柜采用互換式斷路器手車(chē)結構，快速斷路器采用具高性能、高可靠性的QDS8系列直流快速斷路器(Icu=Ics=30kA、飛弧距離小、體積小、結構簡(jiǎn)單)，繼電保護裝置采用ST700系列直流微機綜合保護裝置，該方案彌補了傳統直流快速斷路器直接大電流脫扣保護的不足，增加了過(guò)電流速斷、過(guò)電流延時(shí)、熱過(guò)載、線(xiàn)路測試、自動(dòng)重合閘、故障錄波等等保護控制能，完善了直流供電系統保護控制功能。此外，系統還配置了絕緣檢測，溫度監測等功能，可實(shí)時(shí)監測并評估直流供電系統的絕緣狀況以及站內關(guān)鍵連接點(diǎn)的連接可靠性。
 

圖1 WDQXB系列智能型箱式變電站一次系統圖

　3. 典型遠程監控管理系統
　　為了滿(mǎn)足充電站和遠程云平臺以及管理服務(wù)終端之間的數據交互，WDQXB系列智能型箱式變電站內配備了WKS-DTMS2000智能化直流牽引電氣監控管理系統。
　　系統由站控層、通信管理層和間隔層組成。站控層與通信管理層之間采用TCP/IP以太網(wǎng)絡(luò )通信，根據電力系統二次系統防護安全I區的要求，須對網(wǎng)絡(luò )數據加密，確保數據網(wǎng)絡(luò )安全性。通信管理層與間隔之間采用現場(chǎng)總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )。該系統以各個(gè)智能型箱式變電站中的“WKS-DAS1000數據管理系統”為核心，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)通信技術(shù)，以 “直流微機綜合保護裝置”、“智能測控儀表”、“溫度監測裝置”、“絕緣監測裝置”、“智能I/O模塊”等智能終端設備為基礎，實(shí)現整個(gè)箱式變電站的遠程監控管理。系統網(wǎng)絡(luò )拓撲結構示意如圖2所示。
 

圖2 WKS-DTMS2000智能化直流牽引電氣監控管理系統拓撲圖

4. 典型充電系統拓撲
　　從目前普通的純電動(dòng)公交充電過(guò)程來(lái)看，充電設施只是一個(gè)簡(jiǎn)單的供電設備，充電過(guò)程主要依賴(lài)車(chē)載電池管理系統完成, 并需要進(jìn)行人工操作。由于充電機安裝于充電樁內，不同類(lèi)型的純電動(dòng)公交車(chē)進(jìn)行充電時(shí)還存在一定的兼容性問(wèn)題。
　　新型純電動(dòng)公交的充電系統將充電站，車(chē)輛，遠程云平臺以及各類(lèi)管理服務(wù)終端這些要素協(xié)同考慮，共同完成充電過(guò)程。
　　如圖3所示的新型純電動(dòng)公交充電系統拓撲圖，其中，純電動(dòng)公交遠程云管理平臺通過(guò)通信鏈路可實(shí)時(shí)獲取車(chē)輛電池狀態(tài)，車(chē)輛位置，剩余電量，充電電流等信息。充電站遠程云管理平臺通過(guò)通信鏈路可以獲取充電站電量信息，充電回路電流，各種報警和故障信息。車(chē)輛信息管理終端和充電一體化管理終端則可以綜合車(chē)輛的信息和充電站及充電線(xiàn)網(wǎng)的電量信息，指引車(chē)輛到合適的充電線(xiàn)網(wǎng)下進(jìn)行充電。充電管理終端還可以通過(guò)車(chē)載充電機控制充電電流，滿(mǎn)足不同車(chē)輛的充電需求（快充，慢充等）。整個(gè)充電過(guò)程中，各類(lèi)云平臺和管理終端通過(guò)融合車(chē)輛和充電站的相關(guān)信息，合理調配充電資源，柔性充電。
　　充電站遠程維護預警終端則能夠從充電站遠程云管理平臺獲取站內的各類(lèi)數據，對充電站的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，對于設備在使用過(guò)程中出現的異�；驁缶�，能夠做到“及時(shí)發(fā)現，及時(shí)解決”。
 

圖3 新型純電動(dòng)公交充電系統拓撲圖

四、 工程案例
　　從2012年起，北京市電車(chē)公司根據相關(guān)的運行規劃要求，選用了由蘇州萬(wàn)龍電氣集團股份有限公司提供的“智能化直流牽引電氣系統一體化解決方案”，分批對阜成門(mén)站、紫竹院站、馬連道站等10余個(gè)場(chǎng)站式雙源純電動(dòng)公交直流牽引站的設備進(jìn)行智能化升級改造，同時(shí)新建了30余個(gè)智能型箱式直流牽引變電站，為北京市1000余輛雙源純電動(dòng)公交提供運行和充電所需電力。所有直流牽引站均通過(guò)遠程云平臺進(jìn)行監控管理，最終實(shí)現牽引站的無(wú)人值守。
　　其中，龍潭公園公交停車(chē)場(chǎng)采用WDQXB系列智能型箱式變電站為停車(chē)場(chǎng)內線(xiàn)網(wǎng)供電，為場(chǎng)內的30輛左右純電動(dòng)公交提供充電服務(wù)。純電動(dòng)公交車(chē)通過(guò)集電桿可在線(xiàn)網(wǎng)下進(jìn)行充電，車(chē)輛在充電完成后通過(guò)車(chē)載電池提供的動(dòng)力運行。如圖4所示。
 

圖4 北京龍潭充電站和純電動(dòng)公交

　　圖5是北京市電車(chē)公司供電所遠程云平臺管理中心站，該中心站運行了由蘇州萬(wàn)龍電氣集團股份有限公司提供的“WKS-DTMS2000智能化直流牽引電氣監控管理系統”。從接入容量上看，該管理系統能夠接入200余個(gè)變電站。目前該系統已實(shí)現了40多個(gè)智能型直流牽引變電站的遠程監控管理。
 

圖5 遠程云平臺管理中心